VISoR高速三維成像技術(shù)顯示獼猴大腦內(nèi)的神經(jīng)纖維

神經(jīng)纖維是大腦所有意識、思維活動中信息傳遞的載體。大腦中的每個神經(jīng)細(xì)胞有獨特的結(jié)構(gòu)，可以生長出很長的纖維分支投射到大腦的不同區(qū)域，從而形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系并進行信息的交流。

因此，想解析到大腦中這種超精細(xì)的細(xì)節(jié)并非易事，這就要求必須達(dá)到亞細(xì)胞分辨率級別的三維成像才能實現(xiàn)。

神經(jīng)纖維的特征是“細(xì)而長”，其直徑通常小于1微米，也就是頭發(fā)絲的1/100，長度則可達(dá)幾十厘米，是直徑的數(shù)十萬倍。并且，有時會通過大量分支覆蓋近半個大腦的范圍，這時用電鏡等高分辨方法做局部成像，已然不能獲得即使是一個神經(jīng)細(xì)胞的全貌。

因此，需要一種能同時滿足高精度、大范圍“雙重要求”的三維高清“地圖”，以實現(xiàn)神經(jīng)纖維的長距離追蹤。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所和合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院與國內(nèi)外團隊合作自主研發(fā)了一種高通量、高精度的三維熒光成像VIsoR技術(shù)和靈長類腦圖譜繪制SMART流程，實現(xiàn)了獼猴大腦的微米級分辨率三維解析。

VISoR成像系統(tǒng)可以在100小時內(nèi)完成獼猴全腦樣品1×1×2.5微米三維分辨率的獼猴全腦圖像采集，研究中兩只獼猴大腦圖像的原始數(shù)據(jù)量逾1PB（千萬億字節(jié)，其數(shù)據(jù)儲存大小相當(dāng)于113塊10T硬盤），這是迄今世界上最高精度的靈長類動物的腦圖譜。

相關(guān)論文

相關(guān)研究以《以微米分辨率對整個恒河猴大腦進行高通量繪圖》為題發(fā)表于Nature Biotechnology。由畢國強教授、劉北明教授擔(dān)任共同通訊作者，中科院深理工、深圳先進院副研究員徐放，中科大研究生、中科院深理工、深圳先進院腦所客座學(xué)生沈燕、丁露鋒、楊朝宇是該論文第一作者。

那么，我們可以從這些圖像里面洞悉到什么？它又將告訴我們什么？推特一位用戶這樣評論：它也許告訴了我們成千上萬的事情，就像地球的“地圖”一樣，取決于你用這個工具來問什么問題。

徐放表示，獼猴是作為研究人類智力以及人腦疾病機理最合適的非人靈長類模式動物，該技術(shù)為靈長類大腦的介觀聯(lián)接圖譜研究打開了一扇門。有了這樣精細(xì)的三維“地圖”，便可以真正地認(rèn)識、模擬大腦的工作機制，從而進一步設(shè)計未來的類腦智能系統(tǒng)。

獼猴大腦中的神經(jīng)細(xì)胞

自主研發(fā)高速三維成像技術(shù)，首次獲取獼猴大腦三維高清成像

通常，熒光顯微光學(xué)切片斷層成像與序列雙光子斷層掃描技術(shù)需要數(shù)天時間才能完成一個鼠腦的成像，而使用該團隊自主研發(fā)的VISoR高速三維成像技術(shù)只需要0.5小時～2小時，速度上提升了幾十倍。

據(jù)悉，該團隊自2015年開始在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項和國家自然科學(xué)基金支持下研發(fā)VISoR高速三維成像技術(shù)，目的是為了滿足腦科學(xué)研究中的廣泛需求，獲得實驗動物的大腦三維結(jié)構(gòu)圖像，繪制不同尺度的腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜。

獼猴大腦的三維高分辨重建圖（a）、截面圖（b）、內(nèi)部神經(jīng)纖維展示（c），以及部分神經(jīng)纖維的全腦示蹤和可視化（d）

徐放表示，該技術(shù)原理與我們用手機拍全景圖相同，為了實現(xiàn)介觀尺度的大腦三維成像，需要切換不同視野，對腦樣品的各個小區(qū)域分別拍照，最后將數(shù)百萬張小圖拼接合成完整的三維圖像。因此，成像速度非常關(guān)鍵。

傳統(tǒng)技術(shù)成像速度慢的根本原因在于，拍照時樣品是靜止的，待拍完一個視野切換到下一視野進行拍照的過程中，需要把樣品由靜止?fàn)顟B(tài)加速并移動一段距離再減速靜止。

使用SMART流程重建的獼猴大腦神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)

在這些步驟里，每次在樣品靜止時的相機曝光時間非常短，而移動視野的過程花費的時間比曝光時間長很多。也就是說，相機在大部分時間都是空閑的，它的成像速度在“等待”中被浪費了。

假如將光片照明成像與透明腦技術(shù)相結(jié)合，雖然在速度上很快，但是其分辨率遠(yuǎn)不夠高。鑒于此，團隊中的高級工程師祝清源博士提出一個新的成像模式：何不試試在樣品勻速運動時連續(xù)拍攝呢？從而可以達(dá)到最高的時間利用率，獲得相機最大極限的成像速度。

獼猴丘腦核團的介觀投射

但是，另一個問題隨之而來，在運動中成像容易造成因不穩(wěn)定而產(chǎn)生圖像模糊的問題，該如何解決呢？

據(jù)介紹，該技術(shù)另一個關(guān)鍵是畢國強教授想到的利用掃描光束照明?！拔覀儑?yán)格同步光束掃描與相機拍攝讀出，樣品中每個點只被照明一次，幾乎完全避免了因樣品運動不穩(wěn)定而帶來的成像模糊問題。并且，這種成像方式對光的利用率高，從而最終得到較高的圖像信噪比?！碑厙鴱娊忉尩馈?/p>

由于VISoR成像技術(shù)是切片透明再成像，因此，它對生物組織學(xué)的各種標(biāo)記具有可兼容性與普適性，這解決了以往全腦透明難以進行深層均勻染色和均勻透明的“卡脖子”問題。

此外，VISoR成像技術(shù)還有具有很好的可擴展性。畢國強解釋道，“事實上樣品越大拍攝效率還會越高，所以，這一技術(shù)可以很自然地從老鼠腦擴展到猴腦，將來也許可以應(yīng)用到人腦。”

實現(xiàn)各模型動物大腦高精度、高通量解析，或加速更精準(zhǔn)的醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)

VISoR成像技術(shù)的應(yīng)用并不局限于腦部，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等有大尺度三維成像需求的領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用場景。

VISoR技術(shù)成像的不同器官組織結(jié)構(gòu)圖像（從左至右依次為：鼠腦橫截面、獼猴腦橫截面、獼猴小腦）

例如，目前的臨床病理診斷是基于組織切片二維顯微圖像。雖然人工智能分析方法已開始應(yīng)用于這些圖像的分析和輔助診斷，但是這些圖像數(shù)據(jù)本身具有局限性，如不具備完整的三維結(jié)構(gòu)，受到樣品切片角度、位置的影響比較大，數(shù)據(jù)量也相對較小等。

而應(yīng)用高速VISoR成像技術(shù)，則可以將當(dāng)前的二維檢測“升級”為高通量三維成像，更適于人工智能大數(shù)據(jù)分析，更加充分地利用生物、病理、手術(shù)組織樣本，也將更大程度挖掘其中蘊含的生理與病理信息。

隨著以VISoR為代表的三維成像技術(shù)的發(fā)展，基于生物組織完整三維圖像的研究和病理診斷也正在成為一個新的科學(xué)研究領(lǐng)域。

畢國強舉例說道，“VISoR成像也非常適用于發(fā)育生物學(xué)研究，例如可以快速獲得完整的胚胎的三維結(jié)構(gòu)信息，從而理解其發(fā)育生長過程和細(xì)胞分子機制?！?/p>

在更大尺度上，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)解剖學(xué)在過去幾千年大都是在肉眼分辨率下開展的，顯微成像的應(yīng)用可以限于很小的局部。

有了類似VIsoR的高通量顯微成像技術(shù)，可以實現(xiàn)在有限的時間內(nèi)對整個器官甚至整個人體做細(xì)胞分辨率或者亞細(xì)胞分辨率成像?！斑@可能為解剖學(xué)帶來一次革命，使我們對整個人體的完整構(gòu)架和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有前所未有的清晰理解和數(shù)字化描述?！碑厙鴱姳硎?。

目前，該團隊正在與具有前瞻性視野的相關(guān)醫(yī)院、CRO企業(yè)和資本等多方拓展合作。同時，與一些人工智能相關(guān)企業(yè)合作，進行對于大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)中的信息挖掘。并且，正在籌辦AI圖像分析大賽等活動以尋求更廣泛社區(qū)的參與。

畢國強

總的來說，生物醫(yī)學(xué)圖像的爆發(fā)與人工智能相結(jié)合，將有望更全面地理解人類大腦和身體器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且更精準(zhǔn)地掌握其在疾病中的變化規(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)。

VISoR工程簡圖

多團隊、跨學(xué)科、多樣化合作，終極目標(biāo)是實現(xiàn)人腦的完全解析

徐放與VISoR高速三維成像設(shè)備

畢國強教授從2007年回國之后即致力于成像技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，他和劉北明教授先后在中科大和深圳先進院組建立交叉學(xué)科團隊，一方面，針對生物學(xué)問題開展研究，對領(lǐng)域的需求和瓶頸有直接的體會;另一方面，基于物理學(xué)方法發(fā)展技術(shù)，對技術(shù)原理的可行性有比較清晰的把握，并習(xí)慣于從第一性原理出發(fā)解決問題。

針對腦圖譜繪制的VISOR技術(shù)從構(gòu)思到實現(xiàn)猴腦成像歷時5年，與傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗研究不同，腦圖譜研究需要博采各專業(yè)所長。

該研究中的腦圖譜SMART流程包括樣品準(zhǔn)備、樣品處理、光學(xué)成像、圖像處理、數(shù)據(jù)分析，每一步需要的專業(yè)知識，并且對相關(guān)研究人員的要求也不同。

“我們通過長期的成長與發(fā)展才建立了跨學(xué)科、多樣化的團隊，團隊成員包括光學(xué)專家、編程能手、神經(jīng)科學(xué)家等，他們有差異化的專業(yè)背景，各自的專業(yè)特長和性格特點，這些在項目中都得到了完美的發(fā)揮?！毙旆耪f。

目前，人類對靈長類動物大腦的認(rèn)知還有很大的探索空間，該技術(shù)可以直接拓展人類對于靈長類動物自身智能和腦疾病的認(rèn)識。

徐放表示，人腦其實只比猴腦大十幾倍，團隊的終極目標(biāo)是實現(xiàn)人腦的完全解析。

畢國強認(rèn)為，如何高效地分析和理解相關(guān)數(shù)據(jù)將是下一個挑戰(zhàn)。

論文第一作者團隊，從左至右分別為：徐放、沈燕、丁露鋒、楊朝宇

VISoR高速三維成像技術(shù)顯示獼猴大腦內(nèi)的神經(jīng)纖維

基于現(xiàn)有技術(shù)，國內(nèi)外實驗室已經(jīng)開展了大量小鼠全腦圖譜成像工作，獲得了大量數(shù)據(jù)，但仍然很難從這些數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的規(guī)律、理解一個小鼠如何加工信息。所以，還需要發(fā)展新的計算方法和軟件工具來進行深入的數(shù)據(jù)挖掘。

此外，在更大的尺度的猴腦和人腦領(lǐng)域，獲取全面的腦圖譜數(shù)據(jù)仍然是一個相當(dāng)艱巨的任務(wù)，需要更長時間、更多的人和資源共同參與進來?！半S著國家對腦科學(xué)的重視和技術(shù)的不斷發(fā)展，我相信，十幾年內(nèi)在猴腦和人腦圖譜解析方面將出現(xiàn)突破性的成果。”畢國強說。（摘自美《深科技》） （編輯/華生）